Vários momentos importantes na história da Terra nos ajudam os humanos a responder à pergunta, “Como chegamos aqui?” Esses momentos também lançam luz sobre a pergunta, “Para onde estamos indo”? – Oferecendo aos cientistas uma visão mais profunda de como os organismos se adaptam às mudanças físicas e químicas em seu ambiente. Entre eles está uma ocorrência evolutiva prolongada há mais de 2 bilhões de anos, conhecida como Grande Evento de Oxidação (GOE). Isso marcou a primeira vez que o oxigênio produzido pela fotossíntese – essencial para a sobrevivência de humanos e muitas outras formas de vida – começou a se acumular em quantidades significativas na atmosfera.
Se você voltasse no tempo antes do Goe (mais de ~ 2,4 bilhões de anos atrás), encontraria um ambiente amplamente anóxico (sem oxigênio). Os organismos que prosperaram então eram anaeróbicos, o que significa que não exigiam oxigênio e confiam em processos como a fermentação para gerar energia. Hoje, alguns desses organismos ainda existem em ambientes extremos, como fontes termais ácidas e aberturas hidrotérmicas.
O GOE desencadeou uma das transformações químicas mais profundas da história da superfície da Terra. Marcou a transição de um planeta efetivamente desprovido de oxigênio atmosférico – e inóspito para a vida complexa – para uma com uma atmosfera oxigenada que apóia a biosfera que conhecemos hoje.
Os cientistas estão interessados em identificar o tempo e as causas de grandes mudanças no oxigênio atmosférico porque são fundamentais para entender como a vida complexa, incluindo seres humanos, surgiu. Enquanto nossa compreensão desse período crítico ainda está tomando forma, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Syracuse e o MIT está cavando profundamente – literalmente – em núcleos de rochas antigas de baixo da África do Sul para descobrir pistas sobre o momento do Goe. Seu trabalho fornece uma nova visão do ritmo da evolução biológica em resposta ao aumento dos níveis de oxigênio – e à longa e complexa jornada em direção ao surgimento de eucariotos (organismos cujas células contêm um núcleo envolvido em uma membrana).
O estudo, publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences, foi liderado por Benjamin Uveges ’18 Ph.D., que concluiu o projeto como associado de pós -doutorado no MIT e colaborou com o professor de ciências da terra da Universidade de Syracuse, Christopher Junium, nas análises químicas.
Respostas incorporadas em rocha
Para voltar no tempo, a equipe de pesquisa analisou núcleos de rock sedimentares coletados de vários locais na África do Sul. Esses locais foram cuidadosamente selecionados porque suas pedras, datadas de 2,2 a 2,5 bilhões de anos, se enquadram na faixa etária ideal para preservar as evidências do GOE. Ao analisar as proporções isotópicas estáveis incorporadas nessas rochas, a equipe descobriu evidências de processos oceânicos que exigiam a presença de nitrato-um indicador de mais condições ricas em oxigênio.
Para analisar o sedimento antigo, Uveges trabalhou com Junium, professor associado de ciências da Terra e Ambiental na Universidade de Syracuse. Junium é especialista em estudar como os ambientes anteriores evoluíram para entender melhor a futura mudança global. Seus instrumentos de última geração foram essenciais para obter leituras precisas dos níveis de nitrogênio traço.
“As rochas que analisamos para este estudo tiveram concentrações muito baixas de nitrogênio nelas, muito baixas para medir com a instrumentação tradicional usada para este trabalho”, diz Uveges. “Chris construiu um dos poucos instrumentos do mundo que podem medir as proporções isotópicas de nitrogênio em amostras com 100 a 1.000 vezes menos nitrogênio nelas do que o mínimo típico”.
No laboratório de Junium, a equipe analisou as taxas de isótopos de nitrogênio das amostras de rochas sul -africanas usando um instrumento chamado espectrômetro de massa da razão isótopo (IRMS). As amostras foram esmagadas primeiro em pó, tratadas quimicamente para extrair componentes específicos e depois convertidos em gás. Esse gás foi ionizado (transformado em partículas carregadas) e acelerado através de um campo magnético, que separava os isótopos com base em sua massa. Os IRMs então mediram a proporção de ¹⁵n e ⁴n, que pode revelar como o nitrogênio foi processado no passado.
Então, como esse processo revela os níveis passados de oxigênio? Os micróbios (abreviação de microorganismos) influenciam a composição química dos sedimentos antes que se tornem rochas, deixando para trás assinaturas isotópicas de como o nitrogênio estava sendo processado e usado. O rastreamento de mudanças no ⁵n para ⁴n ao longo do tempo ajuda os cientistas a entender como o ambiente da Terra, principalmente os níveis de oxigênio, evoluiu.
Reescrevendo a linha do tempo do oxigênio
Segundo Uveges, a descoberta mais surpreendente é uma mudança no momento do ciclo de nitrogênio aeróbico do oceano. As evidências sugerem que o ciclo de nitrogênio se tornou sensível ao oxigênio dissolvido aproximadamente 100 milhões de anos antes do que pensava anteriormente – indicando um atraso significativo entre o acúmulo de oxigênio no oceano e seu acúmulo na atmosfera.
Junium observa que esses resultados marcam um ponto de inflexão crítico no ciclo de nitrogênio, quando os organismos tiveram que atualizar sua maquinaria bioquímica para processar o nitrogênio em uma forma mais oxidada, mais difícil de absorver e usar.
“Tudo isso se encaixa na idéia emergente de que o Goe era uma provação prolongada, onde os organismos tinham que encontrar o equilíbrio entre tirar proveito dos ganhos de energia da fotossíntese oxigênica e as adaptações graduais para lidar com seu subproduto, oxigênio”, diz Junium.
À medida que o oxigênio produzido através da fotossíntese começou a se acumular na atmosfera, esse aumento no oxigênio levou à extinção de muitos organismos anaeróbicos e preparou o cenário para a evolução da respiração aeróbica – um processo que usa oxigênio para quebrar a glicose e fornece a energia necessária para funções, como movimento muscular, atividade cerebral e manutenção cerebral e manutenção de células na manutenção e a manutenção celular.
“Nos primeiros 2 bilhões de anos da história da Terra, houve muito pouco oxigênio livre nos oceanos ou atmosfera”, diz Uveges. “Por outro lado, hoje o oxigênio compõe um quinto de nossa atmosfera e, essencialmente, toda a vida multicelular complexa, como a conhecemos, depende dela para respiração. Portanto, de certa forma, estudando a ascensão do oxigênio e de seus impactos químicos, geológicos e biológicos está realmente estudando como o planeta e a vida co-evoluíram para chegar a chegar a situação atual”.
Suas descobertas reformulam nossa compreensão de quando os ambientes de superfície da Terra se tornaram ricos em oxigênio após a evolução da fotossíntese produtora de oxigênio. A pesquisa também identifica um marco biogeoquímico importante que pode ajudar os cientistas a modelar como as diferentes formas de vida evoluíram antes e depois do Goe.
“Espero que nossas descobertas inspirem mais pesquisas sobre esse período fascinante”, diz Uveges. “Ao aplicar novas técnicas geoquímicas aos núcleos do rock que estudamos, podemos construir uma imagem ainda mais detalhada do Goe e seu impacto na vida na Terra”.
Este trabalho foi financiado por doações, incluindo: um prêmio de carreira da NSF (Syracuse University – Christopher Junium) e um Prêmio de Colaboração da Fundação Simons Foundation (MIT – Benjamin Uveges, Gareth Izon e Roger Summões).